橡胶挤出机螺杆构型分析及其几何参数的确定_下_

1、橡胶挤出机螺杆构型分析及其几何参数的确定（下）吕柏源，郑晓斐，闵鹏峰，崔静（青岛科技大学高分子材料加工机械研究所，山东青岛266042）摘要： 螺杆是冷喂料挤出机的一个核心部件，它在挤出机的性能参数中起着决定性的作用。本文将螺杆从宏观功能上分成 三个功能段，依据挤出理论结合生产实践分别对螺杆的喂料功能段、塑化功能段和挤出功能段的各种螺杆构型进行了较详尽较 系统的分析，以便更容易理解和掌握各种螺杆构型的工作原理，希望对螺杆设计和选型有所帮助。另一方面螺杆又是由众多的 结构几何参数所组成。因此螺杆几何参数的确定和选择直接关系着挤出机的使用性能。本文分析了螺杆几何参数影响挤出过程 的理论依据，进而对

2、各几何参数进行选择和确定，为螺杆和挤出机的设计、选型提供依据和参考。关键词：挤出机螺杆；构型；几何参数；分析中图分类号：TQ330.44 文献标识码：B文章编号：1009-797X(201 1)1 1-0001-09 DOI：10.3969/J.ISSN.1009-797X.201 1.1 1.001 （接上期）示。在工作时，螺杆传动，螺杆槽内的胶料沿 螺槽向前输送，由于螺杆螺槽由深逐渐变浅而 被连续地挤压到机筒的螺槽内，直至全部胶料 被挤入机筒螺槽内。然后进入下一传递周期， 胶料的传递运动恰恰相反，其沿机筒螺槽向前 输送的同时被逐渐挤压到螺杆的螺槽中，胶料 经如此反复传递，一方面获得充分的剪

3、切，另 一方面获得充分的混合，从而获得混炼质量高 的胶料。普通型传递螺杆挤出过程的剪切作用是在 机筒和螺杆的分界面上获得的，而且剪切面在 不断变化，如图 18 所示。若把螺槽和机筒之间 的相对运动看作是两个相交的楔形槽的相对运 动，在两个楔形槽的相交位置处形成一个长方 体，它的容积为一个常数，在不同的位置相交 时，长方体中的分界面是不断变化的，这意味 着胶料从螺槽向机筒螺槽传递的过程中，受剪 面是不断变化的。因此胶料所受到的剪切作用 塑化段传递型螺杆1.2.5 传递型螺杆的形式可归纳为两种：普通传 递型螺杆和空穴传递型螺杆。传递型螺杆的特 点是要求机筒有相应的结构配合，在工作过程 中实现胶料从

4、螺杆逐渐传递到机筒，又从机筒 逐渐传递到螺杆。在这个过程中不断改变料流 的方向和获得剪切。由此获得高质量的混炼胶 料。普通型传递螺杆1.2.5.1 普通型传递螺杆的特点是螺杆和机筒都有 螺纹，且螺纹方向相反，螺杆上的螺槽是由深 到浅再由浅到深变化的，而机筒则是由浅到深 再由深到浅变化的，整个螺杆和机筒系统一般 有 2 4 个这样的变化区段。其结构如图 17 所作者简介：吕柏源（1942-），男，教授、博导，长期 从事高分子材料加工机械的教学、研究和开发工作。 收稿日期：2010-08-16图17塑化普通传递螺杆1 2011年第37卷橡塑技术与装备CHINA RUBBER/PLASTICS TE

5、CHNOLOGY AND EQUIPMENT这一区域的胶料温度一致性也很差。因此，应 采用某些措施使胶料外层和里层相互交换，这 样就可以改善其均匀性，主副螺纹螺杆实现了 这一功能，螺槽中所有胶料，都必须越过副螺 纹，才能进入相邻的下一螺槽。实现胶料相互 交替的另一方法是在螺槽附近附加挡板或设置 销钉直至在机筒设置机筒销钉等。然而所有这 些改进分布混炼或均匀性的方法，都只能沿轴 线改善其混合效能。虽然层流也能被中断，但 未能转过足够大的角度，因而混炼效果仍然受 到限制。近年来出现的空穴型传递螺杆可以解 决这一存在的问题。空穴型传递螺杆其结构如图 19 所示。它也 和普通型传递螺杆一样需要与特殊形

6、状结构的 机筒配合。其不同之处是螺杆不是螺纹槽，机 筒也不带螺纹槽，而是有许多按一定规律排列 的半圆球空穴。图18剪切和胶料置换示意图是很均匀的。普通型传递螺杆挤出过程胶料的混合作用 是在螺杆与机筒传递过程中获得的。假设螺杆 和机筒的螺槽均是四头，则螺杆的每一条螺槽 是与机筒的四条螺槽相交于四点（因为机筒和 螺杆的螺纹方向相反），在不同的运动时刻， 这些交点的位置是不同的。对第一段螺槽，胶 料是从螺杆的螺槽传递到机筒的螺槽，这相当 于同一螺杆的螺槽内的胶料总是分成4 份，分别 向4 个不同的螺杆螺槽。在第二段中胶料从机筒 传递到螺杆螺槽，而一个螺杆螺槽中的胶料又 来自4 个不同的机筒螺槽。同一

7、螺槽中的胶料是 既分割又汇合，在此过程中，不断地变换各部 分胶料的相互位置，从而使胶料获得交叉混合 作用，因此胶料得到很好的混合效果。由于普通的传递螺杆和机筒开了方向相反 的螺槽，螺杆和机筒之间的接触面积比其它类 型挤出机少得多，因此即使在高速下工作，螺 棱间隙处的剪切区也不会使胶料产生局部过 热。另一方面，由于机筒开了螺槽，增加了散 热面积，因此有利于胶料较低的温度挤出。传递型螺杆和机筒由于形状复杂，因而加 工比较困难。图19空穴型传递螺杆空穴型传递螺杆挤出机在挤出过程中，胶 料可以从螺杆上的空穴转移到机筒上的空穴， 也可以从机筒的空穴转移到螺杆上的空穴。在 这个过程中，当胶料在一个空穴里时

8、，它经历 了一次纯剪切作用，而胶料传递至下一个空穴 时就被切割并转移过90 ，如图20 所示。空穴型传递螺杆1.2.5.2 通过上面各种螺杆的分析，我们可以看 到：胶料在普通螺杆螺槽中向前的主运动是层 流状态的。观察其横断面，其在螺槽中按螺旋 形式流动，其中在边缘处的剪切速率最大，而 在螺槽宽度中点和螺槽深度 2/3 处剪切速率几乎 为0 ，成为“ 死区” 。对于深槽螺杆，这一点因远 离周围的机筒表面，其传热性很差，结果导致 图20空穴型传递挤出的混炼原理因此，起到了类似于开炼机切割和折卷胶 料的作用，从而获得按指数效果的混炼作用。 所以空穴型传递螺杆挤出能获得高质量的胶 料。2 第37卷 第

9、11期吕柏源 等橡胶挤出机螺杆构型分析及其几何参数的确定（下）这种结构的螺杆在实际使用时将空穴的杆 体设置在常规螺杆的末端，而其剖分式的空穴 筒体则接到常规的机身上。由于其工作过程胶 料是靠螺纹段的螺杆输送的，空穴段并没有输 送作用，当胶料一旦脱离螺纹段时，胶料不再 往前输送，即自洁性能差。这一点在应用时是 应该注意的。空穴型传递螺杆的最大特点是能得到高质 量和温度一致性好的混炼胶料。但由于其结构 的限制，在生产能力和自洁性方面仍存在某些 问题。如果我们要利用它的优点，必须进一步 完善它的结构、解决它的存在问题。图22塑化段销钉/ 挡板型螺杆挤出段螺杆构型分析螺杆的挤出段又称计量段，从塑化段输

10、送 来的胶料在挤出段基本上呈现粘流态。此段的 主要作用是将来自塑化段胶料进行均化、定 压、定量和定温地挤入到机头中去。挤出段的 螺杆构型比较简单，其主要结构形式有以下 3 种：（1 ）等距等深双头螺纹螺杆等距等深螺杆通常是螺距（或导程）保持 不变，螺槽深度沿挤出方向也不变。这种螺杆 挤出胶料时没有压缩比，对挤出胶料致密性有 影响。（2 ）等距不等深双头螺纹螺杆等距不等深螺杆通常是螺距（或导程）保 持不变， 而螺槽深度沿挤出方向逐渐变小，这 种螺杆挤出的胶料压缩性能比较好，胶料比较 致密。（3 ）收敛型双头螺纹螺杆收敛型双头螺纹螺杆通常是螺距（或导 程）收敛的，螺槽深度沿挤出方向不变，这种 螺杆

11、对胶料压缩性能比较好，胶料也比较致密。1.3 1.2.6 1.2.6.1 塑化段复合型螺杆塑化段销钉/ 主副螺纹型螺杆销钉 / 主副螺纹型螺杆是在主副螺纹螺杆的 基础上在塑化段增加了若干排机筒销钉，这种 构型结合了销钉螺杆能对胶料产生复杂复合作 用：螺杆的剪切作用，销钉的拖曳作用、搅拌 作用和分流作用，又结合了主副螺纹螺杆能对 胶料进行强力剪切和混炼的优点。因此，这种 螺杆能有效地提高橡胶半成品的挤出质量。但 在设计时要注意半成品胶料的性能和对剪切量 的要求而选择恰当的销钉数量和主副螺纹的剪 切量，如图21 所示为塑化段销钉/ 主副螺纹螺杆。22.1 螺杆几何参数的分析与选择螺杆直径（D ）螺

12、杆是挤出机的核心部件，螺杆的直径通 图21塑化段销钉/ 主副螺纹型螺杆常指的是外径D ，挤出机的规格也是用它来表示的。影响挤出机性能的因素很多，但是影响最 显著的是螺杆直径，由固体输送理论通过推导 可知：塑化段销钉/ 挡板型螺杆1.2.6.2 销钉 / 挡板型螺杆是在挡板型螺杆的基础 上在塑化段的前半部增加了若干排机筒销钉， 这种构型结合了销钉能对胶料产生复杂复合作 用：螺杆的剪切作用，销钉的拖曳作用、搅拌 作用和分流作用，又结合了挡板型螺杆对有胶 料的强力剪切和对胶料有分流的作用。所以这 种螺杆构型能得到高质量的混炼胶料。但在设 计时要注意挡板型螺杆的自洁性以及剪切总量 的合理选择。如图 2

13、2 所示为塑化段销钉 / 挡板型 螺杆结构图。Q = 2 nHD ( D -H )/tg tg /(tg +tg ) bb= kD 3 n=（2 ）由粘性流体输送理论可知：Q =（3 ）设 H = k 1 D ， L = k 2 D 并代入 (2) 式，可将挤出 段生产能力公式变换如下形式:333Q = k D D n -k p D p =( k D n -k p p ) D（4 ）3 2011年第37卷橡塑技术与装备CHINA RUBBER/PLASTICS TECHNOLOGY AND EQUIPMENT由（ 2 ）、（ 4 ）式可见无论是喂料段还是 挤出段的生产能力均与螺杆的直径立方（

14、D 3 ） 成正比。因此，提高冷喂料挤出机生产能力的 最有效途径是增加螺杆的直径。所以在选择挤 出机生产能力设计时，首先应根据实际生产能 力的要求来选择螺杆的直径，即挤出机的规 格。螺杆的直径系列如下： 45 、 60 、 90 、 120 、 150 、 200 、 250 、 300 。长径比加大L 变长，因而后面一项变小，因此，长径比增大可以显著减少逆流量，使螺杆的生 产能力提高。但是过大的长径比会导致功率消 耗增大以及挤出机温度过高，甚至出现胶料焦 烧的现象，这在设计时也应当充分考虑。热喂 料挤出机螺杆的长径比一般为3.56 ，冷喂料挤 出机一般为1220 ，排气挤出机一般为1522

15、。 表2 为四种类型橡胶螺杆挤出机长径比。2.2 螺纹的头数（i ）螺纹头数对胶料的塑化效果、混合的均匀 2.4 螺杆的升角和导程（ ，S ）螺纹升角与导程有以下关系：S = D tg 性、生产效率以及挤出过程的稳定性等有着重 要的影响。当螺纹头数太多时，将会占去螺槽 体积而影响生产能力。当螺纹头数较少时，虽 然螺纹占得体积较少，但是吃料频率低则影响 吃料不够均匀，进而影响挤出机挤出过程的稳 定性和输送能力。因此在设计中选择适当的螺 纹头数很有必要。通常选取螺纹的头数为双 头，即 i =2 。当然有些螺杆在喂料段设计了四头 螺纹，这主要是为了提高吃料频率与挤出过程 的稳定性。（6 ）螺纹升角较

16、大时，螺纹的导程也较大，胶 料的输送速度也较快，但是升角过大会导致剪 切历程减小，剪切塑化效果变差；当升角较小 时，螺纹的导程也比较小，胶料输送的速度变 慢，但是胶料的剪切历程增大，因此塑化效果 比前者要好。从固体输送理论中可知，螺纹升角既影响 着输送角的大小，也直接影响着生产能力的高 低，同时在其他条件恒定下，它有一个最优化 的数值，如图23 所示。2.3 螺杆长径比（L / D ）长径比对于胶料的塑化性能、挤出过程的 稳定性以及生产能力均有较大的影响。当长径 比较大时，胶料剪切历程增大，螺杆对于胶料 的剪切总量也增大，则塑化能力随着增强，这 为提高螺杆转速提供了条件，进而提高生产能 力；随

17、着长径比增大机头压力随之增大，因而 更加容易建立起机头压力，使挤出过程更加稳 定，从而提高半成品的质量。另方面长径比增 大，挤出机的生产能力随着提高。我们由粘流 体输送理论产量公式可知：图23螺纹升角 与的关系当 tg tg /(tg +tg ) 达到最大值时，则生 产能力也达到最大值。据有关资料介绍，当螺 杆摩擦系数 为 0.45 0.6 时，最适宜的升角为 17 22 ，但在生产实践中有些机台螺纹的螺 纹升角很大，其喂料段的螺纹升角达到28 ，甚Q =（5 ）从（ 5 ）式可以看出：逆流量与 L 成反比， 表2橡胶挤出机常用长径比规格456090120150200250300热喂料橡胶挤出

18、机普通冷喂料挤出机 销钉冷喂料挤出机 冷喂料排气挤出机3.54.568/12143.54.581010121416461012121414164612141216161846121612161820461218141820224616201620/4616201620/4 第37卷 第11期吕柏源 等橡胶挤出机螺杆构型分析及其几何参数的确定（下）至超过 30 ，塑化段达到 2528 ，挤出段达到 24 。在考虑螺纹升角时，应注意到：不同胶 料、不同工艺条件以及变化的挤出过程都会导 致螺杆摩擦系数的变化，因此最佳的螺纹升角 是相对的。从粘性流体输送理论可知，螺纹升角的大 小既可影响正流流量也可影

19、响逆流流量。如 果要得到最大生产能力，则要求正流流量有 最大值，而逆流流量有最小值。单纯从理论 上推导，若正流流量要达到最大值，则要求 度偏低的，宜选较小的升角；从提高塑化效果 而言，门尼粘度偏高的胶料宜选偏小升角，门 尼黏度和硬度偏低的胶料宜选偏大的升角。螺杆的几何压缩比（ ）螺杆螺纹第一圈螺槽容积v s 与最后一圈螺槽 v m 容积之比（ v s / v m ）称压缩比。压缩比按下式 计算：2.5 （7 ）式中：t 1 、t 2 分别为初始和末圈螺纹螺距；h 1 、h 2 分别为初始和末端螺槽深度；D 螺杆直径，cm ；e 螺杆螺棱法向宽度，cm 。压缩比表示胶料在挤出过程中被压缩的程 度

20、。较大的压缩比会使胶料得到足够的压缩作 用，从而获得致密性能好的制品。但是压缩比 过大时，会导致驱动功率增加、降低生产能力 和提高挤出温度。因此在设计时应注意选择适 当的压缩比。较大压缩比的螺杆在机头易建立起较高的 挤出压力，促进在螺杆螺槽中的胶料产生较大 剪切搅拌和混合作用，进而提高塑化效果，这 是传统强化冷喂料挤出机塑化效果的一种措 施，其选择压缩比一般为 1.31.7 。但在近代 发展了强力剪切的主副螺纹螺杆和机筒销钉螺 杆，其塑化功能已不完全依赖压缩比来强化螺 杆的塑化效果。因此，近代螺杆的压缩比趋于 减小，有的销钉螺杆甚至为0 压缩比。)/d =0 ，这时 =45 ，换句话说， d(

21、cos sin 螺杆螺纹升角在 45 时，正流流量达到最大 值。然后，要求逆流流量达到最小值时，则应 sin =0 ，即 =0 ，就是说，螺纹升角为0 时，逆 流量最小（此时正流量也为最小），随着升角 的增加，逆流量随着增加。综合螺纹升角对正 流流量和逆流流量的影响，一般来说，螺杆螺 纹升角在22 30 时挤出生产能力最大。但确定 时，还要考虑喂料段的供料是否充足，塑化段 的塑化能力是否均匀以及挤出段的挤出是否稳 定。当前导程和升角都有变大的趋势，这是因 为传统的螺杆为了增加胶料的剪切效果，充分 塑化胶料，只能通过减小螺槽升角，增加螺纹 的长度；但是当今的螺杆，完全可以通过很多 其他的方式来增

22、加胶料的塑化效果，比如：在 塑化段设置销钉、设置传递螺纹或者设置主副 螺纹等。这些都是有效的增加胶料塑化的方 法。在设计中要注意到：同一螺杆，螺纹升角 也应该有所不同，喂料段适用于弹性态固体输 送理论，此段的摩擦系数较大，因此其螺纹升 角应比较大；塑化段适用于粘弹态的输送理 论，摩擦系数变小，其螺纹升角应适当减小； 到了挤出段物料基本上是粘流态，摩擦系数最 小，其螺纹升角也应最小。从统计角度看，喂料段升角可在22 26 选 取，塑化段升角可在20 24 选取，挤出段升角 可在18 22 选取。从提高生产能力而言，门尼 黏度偏高的胶料宜选偏大升角，门尼黏度和硬 螺槽的深度（H ）按照粘性流体输送

23、理论分析，螺槽的深度 对生产能力的影响应从两个方面考虑：使用高 阻机头时，宜采用浅槽螺杆；使用低阻机头 时，宜采用深槽螺杆。也就是说，应该根据螺 杆与机头匹配情况来考虑螺槽的深浅。从挤出 机综合工作点如图24 可以看出：在低压区P P c 时（即具有低阻力机头） , 若配以深螺槽螺杆， 将会得到较高的生产能力，若配以浅的螺槽螺 杆，将会导致生产能力的降低，如 p 1 分别与深 螺槽螺杆特性线和浅螺槽螺杆特性线相交得到 2.6 5 2011年第37卷橡塑技术与装备CHINA RUBBER/PLASTICS TECHNOLOGY AND EQUIPMENT螺杆断面的形状（r i ， i ，e ）螺

24、纹断面形状主要是指螺纹棱的宽度 e ，推 力面、背压面的倾角 i 以及推力面和背压面过渡 半径r i 。常见的螺纹断面形状主要有矩形螺纹、 梯形螺纹和锯齿形螺纹，其结构如图25 所示。螺纹螺棱的宽度有轴向棱宽 e 和法向棱宽 e 之分，一般在计算中多使用法向螺棱宽度，有 以下关系 e = e cos ，螺棱宽度较大时，其螺棱 的强度、刚度好，但为了提高螺槽有效输送容 积，在保证其强度、刚度的前提下，应尽可能 减小螺棱宽度。螺棱宽度一般取e=(0.060.08)D。 当胶料门尼黏度大，硬度高时，宜选取较大的 e 值；当胶料门尼黏度小，硬度较小时，宜选取 较小的e 值。如图 25(a) 所示的矩形

25、螺纹断面，其螺棱两 侧根部与螺杆根部的相交处形成90 的交角，因 为此交角会使胶料在螺槽运动中形成 “ 死角 ” ， 对螺杆的输送和塑化效果有重大的影响，因此 应采用圆角过渡的设计。如果推力面 r 1 太小， 胶料则窝在根部难以往前输送，如果背压面 r 2 太小，则胶料窝在根部难以翻转，直接影响输 送能力和塑化效果，这在设计时务必注意。然 而过渡圆弧半径太大，则会减少螺槽的容积。 通常推力面的过渡半径可选半个螺槽深度，即 r 1 =0.5 H ，背压面的过度半径可选r 2 =0.8 H 。图 25(b) 所示为梯形螺纹，其在推力面和背 压面分别有 1 和 2 夹角，在斜边与螺杆根径分别 有r

26、1 和r 2 的圆弧过渡，这将提高螺棱的强度和刚 度。其r 1 和 r 2 可比矩形断面的r 1 和 r 2 略小。图 25(c) 为锯齿形螺纹，它除了根部过渡半 径和普通的螺纹相同外，其在螺棱推力面螺棱 顶部设计了过渡圆弧半径r 3 ，它与r 1 组成了一个 反“S ”型螺纹断面，它可降低胶料越过螺棱的 阻力，尤其适用于主副螺纹螺杆，有利于降低 深螺槽螺杆的生产能力 Q 1 浅螺槽的生产能力 Q 1 ，当在高压区 p p c 时（即具有高阻力的机 头），若配以深螺槽螺杆，将会导致生产能力 的降低，若配以浅螺杆，将会获得较高的生产 能力如 p 3 分别与浅螺槽螺杆特性线和深螺槽螺 杆特性线相交

27、得到浅螺槽螺杆的生产能力Q 2 深 螺槽的生产能力 Q 。因此，在使用低阻力机头 时，可以增加螺纹槽的深度来提高生产能力。 在橡胶挤出机中一般机头阻力较低（p 3mm 时，挤出机就会完全失效。螺 纹间隙减小当然对生产能力有好处，但间隙太 小会带来加工的困难以及容易造成螺杆的扫膛 现象，设计时应当选择适当的间隙。间隙见表 4 。在实际使用中，其间隙往往偏大，如贝尔 托夫 150 的间隙约为0.40.513 ， 200 的约为0.50.622 。图28螺杆头结构图3结束语（ 1 ）将螺杆从宏观功能上分成三个功能 表4螺杆与衬套直径间隙参考表mm 段，依据挤出理论结合生产实践分别对螺杆的 喂料功能段

28、、塑化功能段和挤出功能段的各种 螺杆构型进行了较详尽较系统的分析，以便更 容易理解和掌握各种螺杆构型的工作原理，希 望对螺杆设计和选型有所帮助；（ 2 ）通过查阅大量的相关图纸和文献资 料，归纳和分析了螺杆有关几何结构参数，并 结合相应的工艺条件给出相应的选择范围，供 螺杆设计和选型方面的行业同仁参考。650.178/0.22880901201502002503000.203/0.2540.254/0.3050.254/0.3050.305/0.3720.330/0.4070.432/0.5080.432/0.508螺杆头几何形状与尺寸2.11在挤出过程中，胶料输送过程是在螺槽中 8 第37卷

29、 第11期吕柏源 等橡胶挤出机螺杆构型分析及其几何参数的确定（下）Configuration analysis and geometric parameters determination ofrubber extruder screw (Part two)L Baiyuan, Zheng Xiaofei, Min Pengfeng, Cui Jing(Polymer Processing Machinery Research Institute, QUST, Qingdao 266042, Shandong, China)Abstract: Screw is a key part of co

30、ld feed extruder, it plays a decisive role in the performance parameters of the extruder. This paper divides the screw into three functional sections on the macro function, conducts more detailed analysis of a variety of screw configurations such as feed section, plasticizing section and extruding s

31、ection, based on extruding theory and production, to make it easier to understand and master the working principle of screw configurations, hopes to help with screw design and selection. On the other hand, screw is formed by many structural geometrical parameters. So the determination and selection of screw geometrical parameters are directly related to the extruder performance. This paper analyzes the